Preliminary design and FEM analysis of a 3D printed prosthetic foot

Additive manufacturing is transforming the prosthetic field by enabling the creation of customized, patient-specific devices with intricate geometries that traditional manufacturing methods often cannot achieve. This technology allows for rapid prototyping, reducing development time and costs, while offering flexibility to tailor prosthetics to the unique anatomical requirements of each user. Additive manufacturing techniques facilitate the production of lightweight yet robust structures, improving overall comfort and performance. Moreover, the ability to integrate multiple materials within a single build enhances the functionality and durability of prosthetic devices. In this thesis, preliminary 3D printed prosthetic foot design has been studied, to understand if 3D printing technology can be considered a good manufacturing process to create such kind of device. The study begins with a 2D analysis to evaluate the structural behaviour of a prosthetic foot composed entirely of TPU material, comparing it with a TPU foot incorporating a rigid ABS keel. A key observation from this 2D analysis is that the inclusion of an ABS keel significantly enhances the stiffness of the foot, thereby reducing its maximum deflection under loading conditions. The prosthetic foot consists of five main components: the inner foot, external cover, keel, pyramid connector, and screws. The keel and inner foot geometries were determined through a traditional iterative approach. Subsequently, a 3D analysis was performed under three distinct loading conditions—toe-off, mid-stance, and heel-strike—in accordance with ISO 10328: 2016 standards at the P5 loading level. The key finding in this study is the impact of ABS keel on the stiffness of foot, which is made up of TPU, a highly flexible material. The prosthetic foot successfully endured the applied static load conditions, with the stress generated in each component remaining within the ultimate tensile strength of the materials across all cases, and the maximum deflection underload falling within acceptable limits. Furthermore, a fatigue assessment of the prosthetic foot design revealed that it failed to meet the required number of fatigue cycles before failure.

.La manifattura additiva sta trasformando il campo delle protesi, consentendo la creazione di dispositivi personalizzati e specifici per il paziente con geometrie complesse che i metodi di produzione tradizionali spesso non riescono a raggiungere. Questa tecnologia permette la prototipazione rapida, riducendo i tempi e i costi di sviluppo, offrendo al contempo la flessibilità di adattare le protesi ai requisiti anatomici unici di ciascun utente. Le tecniche di manifattura additiva facilitano la produzione di strutture leggere ma robuste, migliorando il comfort e le prestazioni complessive. Inoltre, la possibilità di integrare più materiali in una singola costruzione migliora la funzionalità e la durata dei dispositivi protesici. In questa tesi, è stato studiato un design preliminare di una protesi del piede stampato in 3D, per capire se la tecnologia di stampa 3D può essere considerata un buon processo di fabbricazione per creare tale dispositivo. Lo studio inizia con un'analisi 2D per valutare il comportamento strutturale di una protesi del piede composta interamente da materiale TPU, confrontandola con una protesi in TPU che incorpora una chiglia rigida in ABS. Una osservazione chiave di questa analisi 2D è che l'inclusione di una chiglia in ABS aumenta significativamente la rigidità del piede, riducendo così la sua deflessione massima sotto carico. La protesi del piede è composta da cinque componenti principali: il piede interno, la copertura esterna, la chiglia, il connettore a piramide e le viti. Le geometrie della chiglia e del piede interno sono state determinate tramite un approccio iterativo tradizionale. Successivamente, è stata eseguita un'analisi 3D sotto tre diverse condizioni di carico: toe-off, mid-stance e heel-strike, in conformità con gli standard ISO 10328: 2016 al livello di carico P5. Il principale risultato di questo studio è l'impatto della chiglia in ABS sulla rigidità del piede, composto da TPU, un materiale altamente flessibile. La protesi del piede ha resistito con successo alle condizioni di carico statico applicato, con le sollecitazioni generate in ogni componente che rimangono entro i limiti di resistenza a trazione ultima dei materiali in tutti i casi, e la deflessione massima sotto carico che rientra nei limiti accettabili. Inoltre, una valutazione della fatica del design della protesi del piede ha rivelato che non soddisfa il numero di cicli di fatica richiesti prima del fallimento.